CN114400346A - 一种一体化膜电极单元结构及燃料电池电堆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种一体化膜电极单元结构及燃料电池电堆，包括阳极单极板、阴极单极板和膜电极板组件，膜电极板组件设置有设置于中部的活性区域、围绕活性区域四周设置的非活性区域；第一膜电极侧和第二膜电极侧均设置有流场区域、粘接支撑区域，粘接支撑区域设置有密封粘接区、设置于密封粘接区域四周内外区域的支撑限位区，在两个密封粘接区与非活性区域粘接有胶膜粘接剂层，设定支撑限位区域与流场区域之间的高度差为H1，设定活性区域的厚度为H2，设定非活性区域的厚度为H3，H1、H2和H3互相配合固定活性区域压缩率，根据一体化膜电极密封结构牢固可靠、电池厚度均一、活性区域均匀受力，且组装成的电堆具有电压均一性高、性能稳定等优点。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，特别涉及一种一体化膜电极单元结构及燃料电池电堆。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种可以将氢气等反应燃料中的化学能直接转化为电能的能量转换装置，因其具有功率密度高、启动速度快、转换效率高、环境友好、原料易得、清洁高效等优点在未来具有广泛的发展应用前景。
目前燃料电池电堆主要的密封方式是密封圈集成到膜电极或者双极板上，结构上膜电极与双极板为物理分离的状态，组装时相互交替堆叠再通过施加紧固力加以组装密封电堆，但这种方式组装方式在纵向方向上组装力分布不均匀、导致组装尺寸无法准确控制，难以控制膜电极活性区域的压缩性能，在横向平面内各个部件或同一部件在不同位置受力分布不均匀，而且堆叠片数多降低膜电极双极板定位的准确性，这样会影响电堆性能、降低电堆单片电压一致性、加快电堆的衰减。
发明内容
本发明目的在于提供一种一体化膜电极单元结构及燃料电池电堆，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
为解决上述技术问题所采用的技术方案：
首先本发明提供一种一体化膜电极单元结构，其包括：阳极单极板、阴极单极板和膜电极板组件，阳极单极板设置有第一膜电极侧；阴极单极板设置有第二膜电极侧；膜电极板组件夹合于第一膜电极侧与第二膜电极侧之间，所述膜电极板组件设置有设置于中部的活性区域、围绕活性区域四周设置的非活性区域；所述第一膜电极侧和第二膜电极侧均设置有与所述活性区域对应的流场区域、与所述非活性区域对应的粘接支撑区域，所述流场区域设置有流动槽道，所述粘接支撑区域设置有呈闭环凹槽结构的密封粘接区、设置于所述密封粘接区域四周内外区域的支撑限位区，所述支撑限位区为凸台平面结构，所述密封粘接区环绕所述流场区域，在两个所述密封粘接区与所述非活性区域两侧之间均粘接有胶膜粘接剂层，所述胶膜粘接剂层的厚度大于所述密封粘接区的闭环凹槽结构的深度；设定所述支撑限位区域与流场区域之间的高度差为H1，设定所述活性区域的厚度为H2，设定所述非活性区域的厚度为H3，设定所述活性区域(310)的压缩率为(H2-2×H1-H3)/H2，(H2-2×H1-H3)/H2＝10％～30％。
本方案在两个所述密封粘接区分别设置胶膜粘接剂层，通过胶膜粘接剂层将阳极单极板、阴极单极板和膜电极板组件粘接为一体结构，并且所述支撑限位区域与流场区域之间的高度差为H1，所述活性区域的厚度为H2，所述非活性区域的厚度为H3，通过H1、H2和H3的互相调节配合，满足(H2-2×H1-H3)/H2＝10％～30％的关系下，可保证一体化膜电极单元结构在固化压合时活性区域的压缩率为10％～30％，使组装力分布得到均匀，避免在局部出现应力集中，其中支撑限位区能控制一体化膜电极单元结构在压力的施加下使整个平面具有较高平面度。
作为上述技术方案的进一步改进，所述粘接支撑区域包括由外到内依次设置的外支撑限位凸台、密封粘接凹槽、内支撑限位凸台，所述外支撑限位凸台与内支撑限位凸台的覆盖区域为所述支撑限位区，所述密封粘接凹槽的覆盖区域为密封粘接区，所述外支撑限位凸台与内支撑限位凸台的台面高度相同。
作为上述技术方案的进一步改进，所述密封粘接凹槽一起的总深度为两个所述胶膜粘接剂层总厚度的85-95％。胶膜粘接剂在装堆紧固力下粘接更牢固，且胶膜粘接剂在微量压缩率下密封可靠性会更好。
作为上述技术方案的进一步改进，所述胶膜粘接剂层的外侧与密封粘接凹槽的外沿之间的距离、所述胶膜粘接剂层的内侧与密封粘接凹槽的内沿之间的距离均为0.5～1mm。这样使得膜粘接剂层在被压缩时，有压缩的空间。
作为上述技术方案的进一步改进，在所述密封粘接凹槽设置有多个定位凸台，所述阳极单极板上的定位凸台与所述阴极单极板上的定位凸台一一对应，所述定位凸台、外支撑限位凸台与内支撑限位凸台的台面高度相同。两侧的定位凸台一一对应，可使得受力更加均匀，结构强度更大。
作为上述技术方案的进一步改进，所述膜电极板组件包括质子交换膜；
在所述活性区域中，所述质子交换膜靠近阳极单极板的一侧由外往内依次贴合有阳极气体扩散层、阳极催化层；所述质子交换膜靠近阴极单极板的一侧由外往内依次贴合有阴极气体扩散层、阴极催化层。
在阳极单极板、阴极单极板的流动槽道中的气体通过气体扩散层分别进入阴极催化层和阳极催化层参与电化学反应，产生电能和热并向外部传输。
作为上述技术方案的进一步改进，所述膜电极板组件还包括两层边框层，在所述非活性区域中，所述质子交换膜夹于两层边框层之间。两层边框层起到支撑的作用。
作为上述技术方案的进一步改进，在所述阳极单极板或者阴极单极板背向所述膜电极板组件的一侧设置有环形的水场密封凹槽和冷却流道，所述冷却流道覆盖的区域与所述活性区域在位置上对应，所述水场密封凹槽围绕所述冷却流道区域的四周设置，在水场密封凹槽上设置有密封圈。
在装堆紧固力下，其中一个单极板背向所述膜电极板组件的一侧与另一片单电池的极板水道侧紧密贴合并在密封圈的压缩下使得述冷却流道密封。
此外，本发明还提供一种燃料电池电堆，其包括上述的一体化膜电极单元结构、及两个端板，所述一体化膜电极单元结构的数量为多个，多个所述一体化膜电极单元结构依次叠合于两个端板之间，在两个端板之间连接有紧固组件。
本发明的有益效果是：在燃料电池电堆组装时，通过紧固组件使得两个端板相互靠近，两个端板将叠合的多个所述一体化膜电极单元结构压合在一起，胶膜粘接剂层将阳极单极板、阴极单极板和膜电极板组件粘接为一体结构，支撑限位区的台面在组装力下能控制每一片一体化膜电极单元结构厚度一致，并能通过尺寸设计确定压缩率，实现的一体化燃料电池电堆能够更好的降低电堆电压的标准差，提高电堆的一致性，从整体上也具有一定电堆性能的提高。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明；
图1是本发明所提供的一体化膜电极单元结构，其一实施例的分解图；
图2是本发明所提供的一体化膜电极单元结构，其一实施例的局部剖视图；
图3是图2中A部分的局部放大图；
图4是本发明所提供的燃料电池电堆，其一实施例的结构示意图；
图5为传统燃料电池组成的电堆极化性能和电压标准差的极化曲线测试图；
图6为本发明的燃料电池电堆的电堆极化性能和电压标准差的极化曲线测试图。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，如果具有“若干”之类的词汇描述，其含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参照图1至图6，本发明的燃料电池电堆作出如下实施例：
如图4本实施例的燃料电池电堆包括一体化膜电极单元结构、及两个端板900，其中一体化膜电极单元结构的数量为多个，多个所述一体化膜电极单元结构叠合于两个端板900之间，在两个端板900之间连接有紧固组件，本实施例中的紧固组件为多个螺杆结构，多个螺杆的两端分别与两个端板900可调节连接。
如图1至图3所示，其中一体化膜电极单元结构包括：阳极单极板100、阴极单极板200和膜电极板组件300，阳极单极板100设置有第一膜电极侧；阴极单极板200设置有第二膜电极侧，膜电极板组件300夹合于第一膜电极侧与第二膜电极侧之间，所述膜电极板组件300设置有设置于中部的活性区域310、围绕活性区域310四周设置的非活性区域320，所述第一膜电极侧和第二膜电极侧均设置有与所述活性区域310对应的流场区域400、与所述非活性区域320对应的粘接支撑区域500，所述流场区域400设置有流动槽道410，所述粘接支撑区域500设置有呈闭环凹槽结构的密封粘接区、设置于所述密封粘接区域四周内外区域的支撑限位区，所述支撑限位区为凸台平面结构，所述密封粘接区环绕所述流场区域400，本实施例中的所述粘接支撑区域500包括由外到内依次设置的外支撑限位凸台510、密封粘接凹槽520、内支撑限位凸台530，所述外支撑限位凸台510与内支撑限位凸台530的覆盖区域为所述支撑限位区，所述密封粘接凹槽520的覆盖区域为密封粘接区，所述外支撑限位凸台510与内支撑限位凸台530的台面高度相同，在两个所述密封粘接区与所述非活性区域320两侧之间均粘接有胶膜粘接剂层600，所述胶膜粘接剂层600的厚度大于所述密封粘接区的闭环凹槽结构的深度。
并设定所述支撑限位区域与流场区域400之间的高度差为H1，设定所述活性区域310的厚度为H2，设定所述非活性区域320的厚度为H3，设定所述活性区域(310)的压缩率为(H2-2×H1-H3)/H2，(H2-2×H1-H3)/H2＝10％～30％，在两个所述密封粘接区分别设置胶膜粘接剂层600，通过胶膜粘接剂层600将阳极单极板100、阴极单极板200和膜电极板组件300粘接为一体结构，并且所述支撑限位区域与流场区域400之间的高度差为H1，所述活性区域310的厚度为H2，所述非活性区域320的厚度为H3，通过H1、H2和H3的互相配合，使得满足(H2-2×H1-H3)/H2＝10％～30％的关系下，可保证一体化膜电极单元结构在固化压合时活性区域310的压缩率为10％～30％，使组装力分布得到均匀，避免在局部出现应力集中，其中支撑限位区能控制一体化膜电极单元结构在压力的施加下使整个平面具有较高平面度。
并且，所述密封粘接凹槽520一起的总深度为两个所述胶膜粘接剂层600总厚度的85-95％。胶膜粘接剂在装堆紧固力下粘接更牢固，且胶膜粘接剂在微量压缩率下密封可靠性会更好，所述胶膜粘接剂层600的外侧与密封粘接凹槽520的外沿之间的距离、所述胶膜粘接剂层600的内侧与密封粘接凹槽520的内沿之间的距离均为0.5～1mm。这样使得膜粘接剂层600在被压缩时，有压缩的空间。
进一步地，在所述密封粘接凹槽520设置有多个定位凸台521，所述阳极单极板100上的定位凸台521与所述阴极单极板200上的定位凸台521一一对应，所述定位凸台521、外支撑限位凸台510与内支撑限位凸台530的台面高度相同。两侧的定位凸台521一一对应，可使得受力更加均匀，结构强度更大，在密封粘接凹槽520的定位凸台521处不设置胶膜粘接剂层600。
而所述膜电极板组件300包括质子交换膜330和两层边框层380，在所述活性区域310中，所述质子交换膜330靠近阳极单极板100的一侧由外往内依次贴合有阳极气体扩散层340、阳极催化层350；所述质子交换膜330靠近阴极单极板200的一侧由外往内依次贴合有阴极气体扩散层360、阴极催化层370，在所述非活性区域320中，所述质子交换膜330夹于两层边框层380之间。两层边框层380起到支撑的作用。阳极单极板100、阴极单极板200的流动槽道410中的气体通过气体扩散层分别进入阴极催化层370和阳极催化层350参与电化学反应，产生电能和热并向外部传输，两层边框层380起到支撑的作用。
本实施例的边框层380为聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚萘苯二甲酸乙二醇酯、聚萘苯二甲酸丁二醇酯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、苯乙烯、聚甲醛、聚醚醚酮、聚氨酯等，为具有支撑作用的两层边框层380夹着质子交换膜330的三层结构或者两层边框层380对贴而成。
而胶膜粘接剂层600为胶膜材料，采用的材料硅橡胶、三元乙丙橡胶、含氟弹性体、丁腈橡胶、聚四氟乙烯、聚丙烯酸、聚砜、聚醚酰亚胺、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘苯二甲酸乙二醇酯、高密度聚乙烯、聚氨酯、氯丁橡胶、乙缩醛、尼龙、聚对苯二甲酸丁二醇酯、丙烯腈-丁二烯橡胶中的一种或多种混合制成。
其中胶膜材料的邵氏硬度选择为A60～A95，厚度选择为10～100μm。
在所述阳极单极板100或者阴极单极板200背向所述膜电极板组件300的一侧设置有环形的水场密封凹槽700和冷却流道800，所述冷却流道800覆盖的区域与所述活性区域310在位置上对应，所述水场密封凹槽700围绕所述冷却流道800区域的四周设置，在水场密封凹槽700上设置有密封圈710，在装堆紧固力下，其中一个单极板背向所述膜电极板组件300的一侧与另一片单电池的极板水道侧紧密贴合并在密封圈710的压缩下使得述冷却流道800密封。
如图5所示，为10片单电池组装的非一体化燃料电池电堆的极化曲线测试图，其测试条件为：电堆的温度80℃，阳极和阴极的加湿度为40/80％，过量系数为1.6/2.0，氢空的入口压力为200/190kpa；通过对电堆单片电压的标准差进行计算去评估电堆的一致性，可以得到随着电堆电流密度的增加，电堆的标准差逐渐增加，一致性逐渐降低，在3.0A/cm2的电流密度下达到最大标准差10.2mV，此时电堆的平均电压为0.568V。
如图6所示，为通过本专利实现的10片单电池组装的一体化燃料电池电堆的极化曲线测试图，测试条件与非一体化电堆一致，通过对电堆单片电压的标准差进行计算去评估电堆的一致性，可以得到随着电堆电流密度的增加，电堆的标准差逐渐增加，一致性逐渐降低，在3.0A/cm2的电流密度下达到最大标准差4.8mV，此时电堆的平均电压为0.577V。
对比一体化和非一体化的电堆，通过本专利实现的一体化燃料电池电堆能够更好的降低电堆电压的标准差，提高电堆的一致性，从整体上也具有一定电堆性能的提高。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种一体化膜电极单元结构，其特征在于：其包括：
阳极单极板(100)，其设置有第一膜电极侧；
阴极单极板(200)，其设置有第二膜电极侧；
膜电极板组件(300)，其夹合于第一膜电极侧与第二膜电极侧之间，所述膜电极板组件(300)设置有设置于中部的活性区域(310)、围绕活性区域(310)四周设置的非活性区域(320)；
所述第一膜电极侧和第二膜电极侧均设置有与所述活性区域(310)对应的流场区域(400)、与所述非活性区域(320)对应的粘接支撑区域(500)，所述流场区域(400)设置有流动槽道(410)，所述粘接支撑区域(500)设置有呈闭环凹槽结构的密封粘接区、设置于所述密封粘接区域四周内外区域的支撑限位区，所述支撑限位区为凸台平面结构，所述密封粘接区环绕所述流场区域(400)，在两个所述密封粘接区与所述非活性区域(320)两侧之间均粘接有胶膜粘接剂层(600)，所述胶膜粘接剂层(600)的厚度大于所述密封粘接区的闭环凹槽结构的深度；
设定所述支撑限位区域与流场区域(400)之间的高度差为H1，设定所述活性区域(310)的厚度为H2，设定所述非活性区域(320)的厚度为H3，设定所述活性区域(310)的压缩率为(H2-2×H1-H3)/H2，(H2-2×H1-H3)/H2＝10％～30％。
2.根据权利要求1所述的一种一体化膜电极单元结构，其特征在于：
所述粘接支撑区域(500)包括由外到内依次设置的外支撑限位凸台(510)、密封粘接凹槽(520)、内支撑限位凸台(530)，所述外支撑限位凸台(510)与内支撑限位凸台(530)的覆盖区域为所述支撑限位区，所述密封粘接凹槽(520)的覆盖区域为密封粘接区，所述外支撑限位凸台(510)与内支撑限位凸台(530)的台面高度相同。
3.根据权利要求2所述的一种一体化膜电极单元结构，其特征在于：
两个所述密封粘接凹槽(520)一起的总深度为两个所述胶膜粘接剂层(600)总厚度的85-95％。
4.根据权利要求3所述的一种一体化膜电极单元结构，其特征在于：
所述胶膜粘接剂层(600)的外侧与密封粘接凹槽(520)的外沿之间的距离、所述胶膜粘接剂层(600)的内侧与密封粘接凹槽(520)的内沿之间的距离均为0.5～1mm。
5.根据权利要求2所述的一种一体化膜电极单元结构，其特征在于：
在所述密封粘接凹槽(520)设置有多个定位凸台(521)，所述阳极单极板(100)上的定位凸台(521)与所述阴极单极板(200)上的定位凸台(521)一一对应，所述定位凸台(521)、外支撑限位凸台(510)与内支撑限位凸台(530)的台面高度相同。
6.根据权利要求1所述的一种一体化膜电极单元结构，其特征在于：
所述膜电极板组件(300)包括质子交换膜(330)；
在所述活性区域(310)中，所述质子交换膜(330)靠近阳极单极板(100)的一侧由外往内依次贴合有阳极气体扩散层(340)、阳极催化层(350)；所述质子交换膜(330)靠近阴极单极板(200)的一侧由外往内依次贴合有阴极气体扩散层(360)、阴极催化层(370)。
7.根据权利要求6所述的一种一体化膜电极单元结构，其特征在于：
所述膜电极板组件(300)还包括两层边框层(380)，在所述非活性区域(320)中，所述质子交换膜(330)夹于两层边框层(380)之间。
8.根据权利要求1所述的一种一体化膜电极单元结构，其特征在于：
在所述阳极单极板(100)或者阴极单极板(200)背向所述膜电极板组件(300)的一侧设置有环形的水场密封凹槽(700)和冷却流道(800)，所述冷却流道(800)覆盖的区域与所述活性区域(310)在位置上对应，所述水场密封凹槽(700)围绕所述冷却流道(800)区域的四周设置。
9.根据权利要求8所述的一种一体化膜电极单元结构，其特征在于：
在水场密封凹槽(700)上设置有密封圈(710)。
10.一种燃料电池电堆，其特征在于：其包括如权利要求1至9任意一项所述的一体化膜电极单元结构、及两个端板(900)，所述一体化膜电极单元结构的数量为多个，多个所述一体化膜电极单元结构依次叠合于两个端板(900)之间，在两个端板(900)之间连接有紧固组件。
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